掃描電鏡原理及提高圖像質量的方法.ppt

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1、西安交通大學材料學院王偉如何利用掃描電鏡拍出高質量的圖像S-2700掃描電鏡如何利用掃描電鏡拍出高質量的圖像一、掃描電鏡的工作原理二、掃描電鏡的構造三、掃描電鏡的成像(襯度)原理四、影響掃描電鏡像質量的主要因素五、操作要點六、樣品制備電子槍發(fā)射的電子束經兩級聚光鏡及物鏡的匯聚，形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號），二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經視頻放大后輸入到顯像管得到反映試樣

2、表面形貌的二次電子像。一、掃描電鏡的工作原理特征X射線掃描電鏡成像的物理信號背散射電子它是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子。又分彈性背散射電子和非彈性背散射電子，前者是指只受到原子核單次或很少幾次大角度彈性散射后即被反射回來的入射電子，能量沒有發(fā)生變化；后者主要是指受樣品原子核外電子多次非彈性散射而反射回來的電子。二次電子它是被入射電子束轟擊出來的樣品核外電子，又稱為次級電子。在樣品上方裝一個電子檢測器來檢測不同能量的電子，結果如圖所示。二次電子的能量比較低，一般小于50eV；背散射電子的能量比較高，其約等于入射電子能

3、量E0。電子能譜圖特征X射線特征X射線是原子的內層電子受到激發(fā)之后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。二、掃描電鏡的構造掃描電鏡由六個系統(tǒng)組成(1)電子光學系統(tǒng)（鏡筒）(2)掃描系統(tǒng)(3)信號收集系統(tǒng)(4)圖像顯示和記錄系統(tǒng)(5)真空系統(tǒng)(6)電源系統(tǒng)(1)電子光學系統(tǒng)（鏡筒）由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將來自電子槍的電子束聚焦成亮度高、直徑小的入射束來轟擊樣品，使樣品產生各種物理信號。(2)掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)是掃描電鏡的特殊部件，它由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。它的作用是：

4、1)使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描；2)改變入射束在樣品表面的掃描振幅，從而改變掃描像的放大倍數(shù)。(3)信號收集系統(tǒng)掃描電鏡應用的物理信號可分為：1）電子信號，包括二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測，其他電子信號用電子收集器；2）特征X射線信號，用X射線譜儀檢測；3）可見光訊號（陰極熒光），用可見光收集器。三、掃描電鏡的成像(襯度)原理1.形貌襯度若設α為入射電子束與試樣表面法線之間的夾角，實驗證明，當對光滑試樣表面、入射電子束能量大于1kV且固定不

5、變時，二次電子產率δ與α的關系為δ∝1/cosα實際樣品的形狀雖然復雜，但都可以被看作是由許多位向不同的小平面組成的，掃描電鏡中入射電子束的方向是固定的，由于試樣表面凹凸不平，它對試樣表面不同處的入射角是不同的，由此產生二次電子的產額上的差異，經調制放大便可得到反映樣品形貌的二次電子像。斷口照片2.原子序數(shù)襯度原子序數(shù)襯度又稱為化學成分襯度，它是利用對樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學成分變化敏感的物理信號作為調制信號得到的一種顯示微區(qū)化學成分差別的像襯度。這些信號主要有背散射電子、吸收電子和特征X射線。(1)背散射電子像襯度背散射系數(shù)η

6、隨原子序數(shù)Z的變化如圖所示(δ為二次電子產率)。可見，背散射電子信號強度隨原子序數(shù)Z增大而增大，樣品表面上平均原子序數(shù)較高的區(qū)域，產生較強的信號，在背散射電子像上顯示較亮的襯度。因此，可以根據(jù)背散射電子像襯度來判斷相應區(qū)域原子序數(shù)的相對高低。(2)吸收電子像襯度吸收電子信號強度與二次電子及背散射電子的發(fā)射有關，若樣品較厚，即T=0，則η+δ+α=1。這說明，吸收電子像的襯度是與背散射電子像和二次電子像是互補的。因此可以認為，樣品表面平均原子序數(shù)大的微區(qū)，背散射電子信號強度較高，而吸收電子信號強度較低，兩者襯度正好相反。（3）

7、特征X射線襯度利用特征X射線只與元素種類有關的特性，可對試樣作成份檢測。四、影響掃描電鏡像質量的主要因素一幅高質量的圖像應滿足三個條件：首先是分辨率高，顯微結構清晰可辨；第二是信噪比好,沒有明顯的雪花狀噪聲;第三是襯度適中,圖像中無論白區(qū)還是黑區(qū)細節(jié)都能看清楚。影響掃描電鏡像質量的主要因素入射束在樣品中的擴展效應分辨率(入射電子束斑直徑)信噪比雜散電磁場及機械振動樣品的自然襯度1.入射束在樣品中的擴展效應電子束打到樣品上，會發(fā)生散射，擴散范圍如同梨狀或半球狀。入射束能量越大，樣品原子序數(shù)越小，則電子束作用體積越大。因此，用不同

8、的物理信號調制的掃描像有不同的分辨本領。二次電子掃描像的分辨本領最高，約等于入射電子束直徑，背散射電子為50-200nm，X射線為100-1000nm。~10nm:二次電子~1~2mm:背散射電子~2~5mm:X-射線/陰極熒光交互作用區(qū)一次電子束電子束-樣品交互作用區(qū)25k